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H135直升机采用碳纤维增强聚合物取代铝制结构件
2022/1/10 阅读: 164次
  空客公司利用多片组合的预成型件和一次灌注工艺,以碳纤维增强聚合物(CFRP)为原材料,成功取代H135直升机原先的铝合金环形框架。
  作为欧洲排名第一的紧急医疗服务/空中救护直升机,空客H135轻型双发直升机因其高可靠性、多功能和成本优势,成为空客公司同类产品中运维成本最低的直升机。目前,超过1350架H135在60多个国家或地区服役,为300多家运营商提供服务。然而,随着H135飞行时长的增加,相关定期运维数据表明,连接CFRP制尾梁和CFRP制尾桨护罩的铝合金环形框架容易出现疲劳和腐蚀问题,直接导致了运维检测成本的增加。为了降低成本并保证机体安全性,针对环形框架的耐腐蚀和抗疲劳需求,空客公司着手研究新的工艺设计方案。
  空客公司首先考虑了基于钛合金的方案,但钛合金方案的机械加工过程和原材料都比铝制方案更加昂贵。因此,多学科研发团队利用预浸料、真空辅助灌注(VAP)和树脂传递模塑(RTM)工艺,研发了基于CFRP的全新设计方案。经过测算,新方案与铝制方案相比重量减轻25%,与钛合金方案相比成本降低50%,显著降低了检测和维护成本。
  工程人员无法改变尾梁和尾桨护罩的现有设计,而环形框架是连接尾梁和尾桨护罩的主要结构,因此CFRP环形框架必须具备与原有铝制框架相同的连接面和几何尺寸,这极大限制了设计方案的自由度。工程团队与设计、应力和生产工程师通过沟通评估,最终确定利用已经在实际生产中广泛使用的标准规格材料,以保证最大程度降低研发成本和后续的批量制造成本。其中,新方案使用的美国赫氏(Hexcel)公司G0986型斜纹碳纤维已经广泛应用于空客公司其他直升机项目的灌注成型;灌注用树脂则选用了赫氏公司的单组分RTM6型环氧树脂,也早已通过空客直升机公司的树脂灌注和RTM认证。
  因为环形框架几何形状的极端不可展开性,工程人员在预成型件中额外设计了一些切口和凹口,以避免模塑成型时产生褶皱。随后,工程人员测试了内法兰的抗压强度,通过静态和动态的拉伸测试验证了CFRP环形框架的展开能力,以及CFRP环形框架与无增强聚合物扣板之间的界面。测试结果表明,新的CFRP环形框架设计非常坚固,可以安全地处理预期负载。
  针对树脂灌注,工程团队研发了如下图所示的四个预成型件。其中,3号预成型件包括A和B两个部分;4号预成型件就是无增强聚合物扣板,用于确保T型区域的连接。
  针对四个预成型件,工程团队研发了各自对应的特殊工装,然后将所有预成型件和环形扣板一起组装成最终使用的固化工具。最终完整的固化工具均由铝合金制成,包括固定在灰色底板上的蓝色工装、多部分拼接而成的绿色环形工装以及橙色和黄色的顶部环形工装。多部份拼接工装的设计目的,是为了防止固化冷却过程中工装冷却而产生的收缩力。
  在完成层合板与工装的组装以后,工程团队使用最典型的也最具有性价比的VAP工艺方案进行树脂的灌注。经过固化、冷却、脱模步骤,团队针对零件的边缘开展精加工,然后面向后续铆接工作进行高精度钻孔。为了保证环形框架与尾梁、尾桨护罩的连接精度,连接处设计公差需要控制在±0.4 毫米的区间。有限元分析结果表明,新方案的模具设计结果做到了“一次成功”,能够满足公差要求。
  空客公司针对CFRP环形框架的全新设计大约在1年以前已经完成,但从铝合金转向复合材料工艺花费了较长时间。公司必须考虑设计的合理性、工艺步骤的验证和确认、批量生产的稳定性等诸多问题。此外,针对新工艺的员工培训也十分重要,必须确保每个环节的工程人员都做好了适应新设计方案的能力准备。空客公司认为,环形框架制造从铝合金工艺转为CFRP工艺,不仅仅是现有零件的简单修改,而是空客直升机部门的一次技术变革;其中,最具有挑战性的工作不是几何公差要求的满足,而是预成型件的成功研制。
  目前,所有最新生产的H135直升机全部换装了新的CFRP环形框架。由于新型CFRP环形框架耐腐蚀、抗疲劳的出色性能,空客公司减轻了大约0.5千克的产品重量,而且显著提高了安全性能,降低了检测次数和成本。
摘自:航空工业信息网
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